綜放開采下組煤首采面上覆老空水探查及突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

史莉紅 ，毛振國(guó) ，朱術(shù)云

（1.山西潞安集團(tuán) 左權(quán)五里堠煤業(yè)有限公司，山西 左權(quán) 032600；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

隨著開采年限的增加，華北型煤田山西組（簡(jiǎn)稱上組煤）基本已無可開采煤層，很多礦區(qū)已進(jìn)入太原組煤層（簡(jiǎn)稱下組煤）開采[1-2]，或者進(jìn)行2 個(gè)煤層或多煤層開采[3-4]。下組煤層開采不可避免將面臨上覆上組煤開采形成的老空水影響問題[5-6]，特別是山西省的很多地方，原來小煤礦居多，開采位置不清，形成了開采情況不詳?shù)纳辖M煤老空區(qū)，這對(duì)下組煤開采的威脅非常大[2,6-7]。為了下組煤的安全開采，需要對(duì)上組煤老空水進(jìn)行探查，厘清上覆采空區(qū)水分布變化特征和對(duì)下組煤開采所形成的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度是否會(huì)對(duì)上組煤老空區(qū)水有所影響[8-13]。

山西潞安集團(tuán)左權(quán)五里堠煤業(yè)有限公司正在開采的太原組15 號(hào)煤層2101 首采工作面，上覆存在已基本開采完畢的山西組5 號(hào)煤層，上組煤老采空區(qū)工作面標(biāo)高約為+1 010～+1 120 m；由于開采年限久遠(yuǎn)，整合部分小煤窯，部分開采位置不詳，老空水分布不清楚，對(duì)下組煤開采將造成一定程度的突水威脅。為了使下組煤能夠安全回采，在對(duì)老空水探查的基礎(chǔ)上，對(duì)下組煤安全開采的可行性進(jìn)行研究。

1 研究區(qū)概況

1）研究區(qū)位置及開采煤層特征。2101 工作面為山西潞安集團(tuán)左權(quán)五里堠煤業(yè)有限公司開采的太原組15 號(hào)煤層（下組煤）首采面，工作面對(duì)應(yīng)地面標(biāo)高+1 160～+1 300 m。為了避開村莊保護(hù)煤柱，在2101 工作面軌道巷道掘進(jìn)至距離內(nèi)切眼210 m處向工作面內(nèi)逐漸收縮，形成刀把形狀。2101 工作面軌道巷沿煤層頂板布置，總長(zhǎng)約1 175 m；運(yùn)輸巷沿煤層頂板布置，總長(zhǎng)約1 395 m；2101 工作面內(nèi)、外切眼沿15 號(hào)煤層底板布置，長(zhǎng)度約136 m。2101 工作面15 號(hào)煤層厚度為5.03～8.18 m，平均厚度為6.17 m，煤巖層傾角為8°～18°，平均傾角13°；煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多數(shù)煤層夾矸層數(shù)為3 層。工作面上覆的5 號(hào)煤層開采厚度為0.9～1.6 m，平均厚度為1.2 m。

2）工作面煤系組合結(jié)構(gòu)特征。工作面及附近有419 和424 共計(jì)2 個(gè)地面施工鉆孔，2 個(gè)鉆孔揭露15 號(hào)煤層與上覆5 號(hào)煤層間距分別為129.8 m和126.8 m?；诘孛? 個(gè)鉆孔資料和掘進(jìn)揭露，2101 工作面直接頂板為中細(xì)砂巖和泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚度為3.0～24.0 m，平均厚度為14.4 m。根據(jù)鉆孔采樣試驗(yàn)結(jié)果：頂板中砂巖抗壓強(qiáng)度為57.5～84.7 MPa，抗拉強(qiáng)度平均為1.65 MPa，為堅(jiān)硬巖；工作面底板大部為砂質(zhì)泥巖、泥巖，局部為炭質(zhì)泥巖、薄層灰?guī)r和中砂巖，中砂巖為灰白色中粒石英砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，頂部含大量黃鐵礦集合體。

3）工作面地質(zhì)構(gòu)造及陷落柱。據(jù)三維地震勘探報(bào)告顯示，2101 工作面無斷層等異常地質(zhì)構(gòu)造在實(shí)際掘進(jìn)施工過程中，2101 運(yùn)輸巷揭露3 個(gè)小型陷落柱，影響掘進(jìn)范圍分別為54、16、30 m；2101 軌道巷揭露2 個(gè)陷落柱，影響掘進(jìn)范圍分別為18 m 和96 m；刀把切眼揭露1 個(gè)陷落柱，影響掘進(jìn)范圍約10 m。揭露的這些陷落柱均無水，也不導(dǎo)水，發(fā)育規(guī)模均不大。

4）工作面水文地質(zhì)特征。根據(jù)2101 工作面形成后在地面、井下軌道巷和運(yùn)輸巷瞬變電磁探測(cè)結(jié)果，2101 工作面內(nèi)存在4 號(hào)及5 號(hào)煤層低阻異常區(qū)，部分兩煤層異常區(qū)重疊，顯示在2101 工作面范圍內(nèi)共圈定YC1～YC9相對(duì)低阻異常區(qū)，并且在頂板不同層位間聯(lián)通性較好。井下物探結(jié)果顯示下組煤開采主要受上覆5 號(hào)煤層老空水影響，但老空水富水性及分布可靠性仍需通過鉆探進(jìn)行探查驗(yàn)證。

2 上覆老空水探放結(jié)果

2101 工作面形成后，五里堠煤業(yè)有限公司結(jié)合井下物探探測(cè)結(jié)果在軌道巷和運(yùn)輸巷分別進(jìn)行了上覆5 號(hào)煤層老空水探查，并且對(duì)20 個(gè)鉆孔進(jìn)行了施工。上組煤5 號(hào)煤層老空區(qū)水探查結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 上組煤5 號(hào)煤層老空區(qū)水探查結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of water exploration results of goaf water in No.5 coal seam of upper coal group

由表1 可知：2101 工作面上覆老空水分布主要集中在南部，北部?jī)H5-1 鉆孔有水，且水量小，出水量?jī)H為2 m3/h；大多數(shù)均分布在距離內(nèi)切眼300 m 以內(nèi)，最大出水量約130 m3/h；20 個(gè)探查孔，6 個(gè)鉆孔出水，出水量為2～130 m3/h，水壓為0.1～2.2 MPa，水量和水壓均變化很大。

由此可見，2101 工作面上覆5 號(hào)煤層老空水分布、富水性和水壓均具有很大的不確定性，不適合大面積疏放。一旦2101 工作面開采形成的最大導(dǎo)水裂隙帶高度波及上覆5 號(hào)煤層采空區(qū)，將會(huì)對(duì)下組煤首采面開采造成突水威脅。

3 上下組煤層開采頂?shù)装遄冃纹茐臄?shù)值模擬

2101 工作面開采最大導(dǎo)水裂隙帶高度能否波及上組煤5 號(hào)煤層底板破壞帶范圍，是該工作面安全開采的關(guān)鍵。為此，采用數(shù)值模擬方法，對(duì)2101 工作面開采所產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶高度是否能波及上覆5 號(hào)煤層老空水進(jìn)行探究。

3.1 數(shù)值模型

1）工程地質(zhì)模型。研究區(qū)內(nèi)巖層按巖性和完整性可劃分為泥巖、砂質(zhì)泥巖、煤層、中砂巖、粉砂巖、灰?guī)r（太灰）和奧灰7 個(gè)工程地質(zhì)巖組；15 號(hào)煤層頂板劃分為22 層地層，底板劃分為7 層，共劃分為30 層地層，不考慮構(gòu)造，建立工程地質(zhì)模型圖。模型空間范圍取包含419 鉆孔在內(nèi)的300 m×400 m 的地塊，高約202 m，先開采上組煤5 號(hào)煤層，開采厚度為1.6 m；再開采下組煤15 號(hào)煤層，開采厚度為7.0 m（最厚8.18 m，綜放開采按85%資源回收率考慮）。

2）模型邊界條件和初始條件。模型邊界條件和初始條件沿著模型前后、左右側(cè)面采用水平方向固定垂直方向自由邊界；底面采用垂直和水平方向均固定的約束方式；模型頂部補(bǔ)償荷載按130 m 厚度上覆巖土體自重壓力（0.024 MPa/m）施加，約3.1 MPa。為了消除邊界效應(yīng)，模型四周各留50 m 的煤柱；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)兩煤層實(shí)際開采條件，5 號(hào)煤層開采長(zhǎng)度300 m，寬度100 m；15 號(hào)煤層開采長(zhǎng)度300 m，寬度200 m。

3）物理力學(xué)參數(shù)。模型采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件[14]，本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型，模擬軟件材料選項(xiàng)中需要輸入密度、彈性模量、泊松比、黏聚力、內(nèi)摩擦角以及抗拉強(qiáng)度等。工作面頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 工作面頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of roof and floor strata in working face

基于上述分析可知，在FLAC3D軟件平臺(tái)下構(gòu)建的2101 工作面所在的上下組煤層數(shù)值模型共劃分出451 200 個(gè)單元和469 395 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3.2 上組煤開采后底板變形破壞特征

上組煤5 號(hào)煤層開采后豎直應(yīng)力分布示意圖如圖1，上組煤5 號(hào)煤層開采后塑性區(qū)云圖如圖2。

圖1 上組煤5 號(hào)煤層開采后豎直應(yīng)力分布示意圖Fig.1 Distribution diagrams of vertical stress after mining in No.5 coal seam of upper coal group

圖2 上組煤5 號(hào)煤層開采后塑性區(qū)云圖Fig.2 Plastic zone diagrams after mining in No.5 coal seam of upper coal group

1）上組煤開采后豎直應(yīng)力變化特征?；诓蓜?dòng)礦壓理論[15]，在工作面采空區(qū)兩端的煤壁中均對(duì)稱出現(xiàn)應(yīng)力增高區(qū)，采空區(qū)頂?shù)装寰霈F(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)，工作面兩側(cè)煤壁內(nèi)的豎向應(yīng)力最大值約18.5 MPa；在工作面采空區(qū)兩端的煤壁中均不對(duì)稱出現(xiàn)應(yīng)力增高區(qū)，采空區(qū)頂?shù)装寰霈F(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)；在模擬開采過程中，隨著工作面推進(jìn)長(zhǎng)度的增加，下部煤柱應(yīng)力值增大幅度和范圍均比上部煤柱的明顯，且應(yīng)力集中的現(xiàn)象更加明顯，回采完畢后工作面兩側(cè)煤壁內(nèi)的豎向應(yīng)力最大值約為24.5 MPa。

2）上組煤開采后塑性區(qū)分布特征。工作面推過后，走向方向采空區(qū)頂?shù)装逅苄詤^(qū)分布比較均勻，中間高，兩邊小，主要類型為剪切與拉張混合屈服破壞（圖2（a））；根據(jù)模型尺寸，可確定完全開采后沿走向方面采動(dòng)底板塑性區(qū)深度5.5 m。沿傾向方向開采后頂?shù)装逅苄詤^(qū)分布特征更加明顯（圖2（b）），中間受拉破壞，兩邊以剪切破壞位置，隨著推進(jìn)距離的增加，逐漸變?yōu)閮蛇吀?、中間低的倒“馬鞍”形[16]。同時(shí)，沿著煤層傾角方向上方頂板采動(dòng)裂隙發(fā)育較充分，但底板采動(dòng)裂隙發(fā)育最大位置處于傾向方向的下方，最大深度11.0 m。

3.3 下組煤開采后頂板變形破壞特征

上下兩工作面回采完畢后頂?shù)装遑Q直應(yīng)力分布圖如圖3，上下兩工作面回采完畢后頂?shù)装逅苄詤^(qū)分布云圖如圖4。

圖3 上下兩工作面回采完畢后頂?shù)装遑Q直應(yīng)力分布圖Fig.3 Vertical stress distribution diagrams of roof and floor after mining in upper and lower working faces

圖4 上下兩工作面回采完畢后頂?shù)装逅苄詤^(qū)分布云圖Fig.4 Plastic zone distribution diagrams of top and bottom after mining in upper and lower working faces

1）下組煤開采后豎直應(yīng)力變化特征。在兩工作面采空區(qū)兩端的煤壁中均對(duì)稱出現(xiàn)應(yīng)力增高區(qū)，采空區(qū)頂?shù)装寰霈F(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)（圖3（a））。從應(yīng)力集中角度來看，下組煤開采后工作面兩側(cè)煤壁內(nèi)的豎向應(yīng)力集中更加明顯，最大值達(dá)到22.8 MPa，比上組煤?jiǎn)为?dú)開采引起的明顯偏大；在工作面采空區(qū)兩端的煤壁中均不對(duì)稱出現(xiàn)應(yīng)力增高區(qū)，采空區(qū)頂?shù)装寰霈F(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)（圖3（b））。下部煤柱應(yīng)力值增大幅度和范圍均比上部煤柱的明顯，且應(yīng)力集中更加明顯，但豎向應(yīng)力最大值與單獨(dú)開采上組煤引起的變化不大。

2）下組煤開采后塑性區(qū)分布特征。工作面推過后，走向方向兩煤層采空區(qū)頂?shù)装逅苄詤^(qū)分布比較均勻，中間以拉張破壞為主，兩邊以剪切破壞為主（圖4（a））；根據(jù)模型尺寸，可確定完全開采后5 號(hào)煤層底板變形破壞深度沿走向方面采動(dòng)底板塑性區(qū)深度11.0 m，15 號(hào)煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶高度60.0 m。沿傾向方向開采后頂?shù)装逅苄詤^(qū)分布特征更加明顯（圖4（b）），中間受拉破壞，兩邊以剪切破壞位置，根據(jù)模型尺寸，可確定完全開采后5 號(hào)煤層底板變形破壞深度沿傾向方面采動(dòng)底板塑性區(qū)深度11.0 m，15 號(hào)煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶高度112.0 m。

結(jié)合上下組兩煤層開采的走向和傾向塑性區(qū)分布云圖可以看出：兩煤層開采后上組煤底板破壞深度和下組煤頂板導(dǎo)水裂隙帶高度沒有貫通，這可認(rèn)為在開采下組煤時(shí)，上組煤老空水一般不會(huì)突涌到下組煤工作面而發(fā)生水害事故。

3.4 導(dǎo)水裂隙帶高度經(jīng)驗(yàn)公式類比分析

為增加與數(shù)值模擬開采下組煤導(dǎo)水裂隙帶高度結(jié)果對(duì)比，采用相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行類比分析。文獻(xiàn)[17]對(duì)潞安礦區(qū)開采山西組3 煤層不同開采方式下實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行了對(duì)比分析，獲得了綜采和綜放開采導(dǎo)水裂隙帶高度、累計(jì)采高、開采分層數(shù)的關(guān)系式為：

式中：Hli為導(dǎo)水裂隙帶高度；M為累計(jì)采高；n為開采分層數(shù)。

根據(jù)煤礦防治水手冊(cè)，綜放條件下中硬頂板類型的導(dǎo)水裂隙帶高度與采厚的關(guān)系式為（綜放開采公式適用的采放高度為3.5～12 m）：

結(jié)合2101 工作面及附近地面兩鉆孔資料和數(shù)值模擬5 號(hào)煤層底板破壞深度數(shù)據(jù)，根據(jù)式（1）和式（2）對(duì)下組煤開采上覆老空水威脅進(jìn)行計(jì)算。基于鉆孔的下組煤開采上覆老空水危險(xiǎn)性量化計(jì)算見表3。

表3 基于鉆孔的下組煤開采上覆老空水危險(xiǎn)性量化計(jì)算Table 3 Quantitative calculation of overlying goaf water risk in lower group coal mining based on drilling

從表3 中可以看出：15 號(hào)煤層的導(dǎo)水裂隙帶高度根據(jù)2 個(gè)不同公式計(jì)算的結(jié)果變化范圍較大。如果采用最大值作為15 號(hào)煤層導(dǎo)水裂隙帶高度取值，再加上5 號(hào)煤層底板破壞深度，兩者之和遠(yuǎn)大于兩鉆孔的5 號(hào)煤層底板與15 號(hào)煤層頂板間距，正常開采下組煤時(shí)上覆上組煤老空水應(yīng)該突涌到2101 工作面。但實(shí)際已開采結(jié)果表明，2101 工作面推進(jìn)近360 m，整體上推過上覆老空水富水區(qū)域，2101 工作面涌水量沒有發(fā)生較大變化。因此，開采下組煤所產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶高度沒有波及上覆上組煤老空區(qū)。

4 下組煤開采突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)下組煤開采是否受上組煤老空水威脅，收集了2101 工作面在回采過程中涌水量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。1 年來，工作面推進(jìn)約360 m，2023年3 月20 日工作面位置已基本推過上覆老空水富水區(qū)域，但工作面涌水量在波動(dòng)中沒有發(fā)生較大變化，2101 工作面涌水量觀測(cè)歷時(shí)變化曲線如圖5。

圖5 2101 工作面涌水量觀測(cè)歷時(shí)變化曲線Fig.5 Water inflow observed curve with time in 2101 working face

由圖5 可知：工作面涌水量介于9.2～22.6 m3/h，平均涌水量為16.0 m3/h，且逐漸趨于穩(wěn)定。因此，下組煤15 號(hào)煤層開采導(dǎo)水裂隙帶高度并沒有波及上組煤5 號(hào)煤層老空水，涌水量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。

5 結(jié) 語

基于下組煤首采工作面地質(zhì)、水文地質(zhì)及開采條件為背景，通過探查上覆老空水，采用數(shù)值模擬方法分析了上下組煤層開采后相互影響，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)涌水量實(shí)測(cè)，系統(tǒng)分析了下組煤首采面綜放開采上覆老空水突水危險(xiǎn)性。

1）對(duì)下組煤首采面所在區(qū)域地層組合特征和開采情況進(jìn)行了系統(tǒng)分析，同時(shí)也對(duì)上組煤老空水進(jìn)行物探和鉆探探查，施工20 個(gè)鉆孔。結(jié)果表明：有6 個(gè)鉆孔有水，鉆孔最大涌水量為130 m3/h，水量大，水壓高，上組煤老空水富水性不均勻，一些區(qū)域富水性強(qiáng)，不適合疏放。

2）建立了上下組煤層開采頂?shù)装宓墓こ痰刭|(zhì)數(shù)值模型，采用數(shù)值模擬方法對(duì)上組煤和上下組煤開采完畢后的應(yīng)力場(chǎng)及塑性區(qū)場(chǎng)變化特征進(jìn)行了對(duì)比分析。上組煤?jiǎn)为?dú)開采分別為18.5 MPa 和24.5 MPa；2 組煤開采后走向及傾向最大豎直應(yīng)力分別為22.8 MPa 和24.7 MPa；上組煤?jiǎn)为?dú)開采走向及傾向最大底板破壞深度分別為5.5 m 和11.0 m；2 組煤開采后下組煤產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶高度沿走向和傾向分別為60.0 m 和112.0 m。

3）根據(jù)開采1 年來首采面推進(jìn)約360 m 范圍的工作面涌水量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，最大涌水量為22.6 m3/h，平均涌水量為16.0 m3/h，且逐漸趨于穩(wěn)定，充分說明下組煤15 號(hào)煤層開采產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶高度沒有波及上組煤老空水，與數(shù)值模擬結(jié)果一致。